VERS UNE MEILLEURE INTEGRATION DE L’EOLIEN …grepes.be/PDF/presentation/robyns_eolien.pdf · Type d’éolienne Interface réseau Moyen de contrôle Fonctionnement possible Services

VERS UNE MEILLEURE INTEGRATION DE VERS UNE MEILLEURE INTEGRATION DE LL’’EOLIENEOLIEN DANS LE RESEAU ELECTRIQUE DANS LE RESEAU ELECTRIQUE GRACE A LGRACE A L’’ELECTRONIQUEELECTRONIQUE DE PUISSANCEDE PUISSANCE

Benoît Robyns

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEPrévision de l’European Wind Energy Association pour l’Europe:

→ 180000 MW d’éolien en 2020→ soit 5x plus qu’en 2004 (34000 MW)

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

Problématique de l’intégration des éoliennes dansun réseau d’énergie:

⇒ Production aléatoire et difficilement prévisible

⇒ Absence de réglage fréquence-puissance

⇒ Réglage de tension limité

⇒ Sensibilité aux creux de tension

⇒ Sensibilité importante aux variations rapides de la force du vent

Les éoliennes se comportent comme des générateurs passifs(d’un point de vue électrique)


Les éoliennes se comportent comme des générateurs passifs→ limite le taux de pénétration de l’éolien

Dans les réseaux insulaires→ limitation du taux de pénétration de l’éolien à 30% (EDF)→ dans certains réseaux insulaires la limite des 30% est

quasiment atteinte.

Dans les réseaux interconnectés→ Des retours d’expérience (Danemark) indiquent qu’au-delàde 20 à 30% d’éolien des problèmes de stabilité sont apparus.

Taux de pénétration maximal(Puissance installée/demande minimale)


En 2004 Allemagne Espagne DanemarkOuest

DanemarkEst

Hors intercon-nexion

44 % 54,2 % 200 % 77 %

Avec intercon-nexion

30 % 45,8 % 61,5 % 21,2 %


Plan de l’exposé⇒ Technologies d’éolienne de grande puissance⇒ Ferme d’éoliennes⇒ Problèmes induits par l’intégration de l’éolien

dans le réseau électrique

⇒ Participation au réglage primaire de fréquenced’une éolienne

⇒ Apport du stockage de l’énergie électrique

⇒ Perspectives


L’énergie éolienne

3

21 AvCP pw ρ=

vRtωλ =

Coefficient de rendement

Ratio de vitesse:

Puissanceaérodynamique:

Cp < 0.59

β = angle d’orientation des pales

Principe:

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 5 10 15

β = 0°

β = 2°

β = 4°

β = 6°

β = 8°

β =10°

β = 12°

β = 14°β = 16°

Cp

λ

Type d’éolienne Interface réseau

Moyen de contrôle

Fonctionnement possible

Services système

MAS (Vitesse fixe)

FacultatifGradateurBanc de condensateur

Pitch controlStall Actif

Contrôle de P approximatif et dynamique lente

Contrôle de Q si condensateur

Marginal

MADA (vitesse variable)

ConvertisseurAC/AC Dimensionner à25% de Pn

Pitch control

Couple génératrice

Contrôle P

Contrôle Q

Réglage w

Réglage U

Tant qu’il y a du vent

MSAP (vitesse variable)

Convertisseur AC/AC

Pitch control


Contrôle P

Contrôle Q

Fonctionnement en isolé

Réglage w

Réglage U

Îlotage


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30Vitesse de vent (m/s)

Puis

sanc

e (k

W)

Courbe mesuréeCourbe théorique

β

•

Multiplicateur Machine asynchroneA cage

•

•

v

Turbine

•

ac 50 Hz

Compensation de réactif

Puissance


Moyen de contrôle


Services système

MAS (Vitesse fixe)





Marginal



Pitch control


Contrôle P

Contrôle Q

Réglage w

Réglage U



Convertisseur AC/AC

Pitch control


Contrôle P

Contrôle Q


Réglage w

Réglage U

Îlotage


Machine Asynchroneà Double Alimentation

v

BaguesBalais

OnduleurMLI

ac 50 Hz

Fréquence variable (ac)

Machine Asynchroneà Double Alimentation

v

BaguesBalais

OnduleurMLI

ac 50 Hz


Onduleur MLI

Multiplicateur

Turbine

β


-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 5 10 15 20

vent (m/s)

Puis

sanc

e (k

W)

Puissance en fonction de la vitesse du vent

0 2 4 6 8 1 0-2 0 0

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

1 2 0 0

1 4 0 0

1 6 0 0P u iss a n c e é lé c tr iq u e (k W )

te m p s (h e u re )

Puissance en fonctiondu temps


Moyen de contrôle


Services système

MAS (Vitesse fixe)





Marginal



Pitch control


Contrôle P

Contrôle Q

Réglage w

Réglage U



Convertisseur AC/AC

Pitch control


Contrôle P

Contrôle Q


Réglage w

Réglage U

Îlotage


M achine Synchrone

O nduleur M LI

ac 50 H z


O nduleur M LI

v

β

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEMSAP – Banc d’essai

Puissance active

MPPT Lissage de puissance

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEMSAP – Banc d’essai

Puissance réactive

Evolution des parts de marché des différentes technologies d’éoliennes

Synchrone

Asynchrone à double alimentation

Asynchrone vitesse fixe


EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEFerme d’éoliennes

G

AC

DC

T

DC

AC

G

AC

DC

T

DC

AC

G

AC

DC

T

DC

AC

G

AC

DC

T

DC

AC

Vers autres groupes d’éoliennes

Groupe d’éoliennes

Vers réseau électrique

T

Raccordement deséoliennes en alternatif

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEFerme d’éoliennes

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

AC

DC

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

G

AC

DC

T

AC

DC

AC

DC

Groupe d’éoliennes

Vers autres groupes d’éoliennes

Vers réseau électrique

Raccordement deséoliennes en continu


0

200

400

600

800

1000

0 50 100 150 200 250 300temps (s)

Puis

sanc

e (k

W)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300temps (s)

Puis

sanc

e (k

W)

050

100150200250300350400

0 50 100 150 200 250 300temps (s)

Puss

ance

(kW

)

Ferme d’éoliennes

i

Foisonnement de l’éolien

1 éolienne

3 éoliennes 10 éoliennes

Problèmes induit par l’éolienPrévision de la production


Incertitude moyenne sur les prévisions à 24 h : 10 %

Exemple danois de bonne prévision réalisée la veille à 11h

Erreur de prévision

Problèmes induit par l’éolienPrévision de la production


Exemple danois de mauvaise prévision réalisée la veille à 11h

Erreur de prévision

Problèmes induit par l’éolienCapacité d’accueil du réseau

La capacité des lignes et des postes est limitée.Dans le cas de l’éolien, les lieux de production (sites ventés) sont souvent éloignés des lieux de consommation.


Il peut y avoir nécessité de renforcement de postes (modification des protections, augmentation de la puissancede court-circuit,…).

Afin d’éviter la congestion des lignes de transport et d’assurer la sécurité du réseau, de nouvelles lignes devraientêtre construites en particulier aux interconnexions entreles réseaux gérés par des opérateurs différents.

Problèmes induit par l’éolienCapacité d’accueil du réseau


L’opérateur allemand EON Netz prévoit le développementde 1000 km de lignes supplémentaires d’ici 2016 pour unecapacité éolienne de 16 000 MW, dont une partie importanteen off-shore, et ce pour un montant de 550 millions d’Euros.

Le délai de renforcement d’un poste peut atteindre 5 ans etle délai de construction d’une nouvelle ligne peut atteindre10 ans et faire l’objet d’oppositions importantes de la part des populations.

Problèmes induit par l’éolienDéconnexions intempestives

Grande sensibilité aux perturbations du réseau et tendanceà se déconnecter rapidement lors d’un creux de tensionou lors d’une variation de la fréquence.


Déconnexion de la production

décentralisée

lorsque f < 49 Hz

lors du black-outitalien du 28/9/03

Problèmes induit par l’éolienDéconnexions intempestives

Les éoliennes doivent rester connectées au réseau tant que lecreux de tension reste supérieur à un gabarit.

Il est demandé aux éoliennes installées depuis 2003 de pouvoirrester connectées au réseau en cas de baisse de tension etde variation de fréquence.

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,40

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

t en s

U/U

dim

Exemple valable pourles réseaux de répartition


Problèmes induit par l’éolienQualité de l’électricité


r xP, Q

V1 V2 Zch~

2VxQrPV +

=∆

Chute de tension dans une ligne:

2VxQV =∆

Cas des lignes THT, x › 10 r :

⇒ Réglage de la tension via un réglage de la puissance réactive

→ Flicker et Harmoniques

Problèmes induit par l’éolienQualité de l’électricité


Un déséquilibre entre la production et la consommation induitune variation de fréquence due à la variation de vitesse desgroupes alternateurs classiques.

Les fluctuations de la puissance éolienne, tout comme lesvariations de charges, pourraient activer le réglage primaire.

Actuellement, lorsque la production est supérieure à la consommation, donc lorsque la fréquence est supérieure à 50,5 Hz, il peut être demandé aux éoliennes de réduire leur production.


Augmenter le taux de pénétration de l’éolien:⇒ Participer à la gestion du réseau (service système,

dispatchibilité)⇒ Pouvoir fonctionner en îlotage⇒ Accroître la disponibilité du système éolien

Solutions pour augmenter le taux de pénétration de l’éolien:⇒ Eoliennes à vitesse variable

Nouvelles possibilités offertes par l’élec. de puiss.⇒ Nouvelles stratégies de supervision⇒ Structure des centrales éoliennes⇒ Stockage de l’énergie à court et long terme⇒ Systèmes multisources

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEParticipation au réglage primaire d’une éolienne

L’éolienne génère une puissance inférieure à sa capacitémaximale afin de disposer d’une réserve.

f(Hz)

P(W)

f0 f0 + ∆ff0 - ∆f

P0

P0 + ∆P

P0 - ∆P

Elle participe au réglage primaire suivant une droite deréglage classique.

~

~

Sc

Seol Ch1 Ch2

JDB

CNRT Futurelec

Lille


400 450 500 550 6009

10

11

12

13

14

15

Temps [s]

vite

sse

du v

ent [

m/s

]Vent variable

Vitesse du vent


400 450 500 550 600300

400

500

600

700

800

Temps [s]

Pui

sanc

e ac

tive

éol

ienn

e [k

W]

Avec réglage primaire

Sans réglage primaire

Vent variablePuissance éolienne


400 450 500 550 60048.5

49

49.5

50

50.5

Temps [s]

Fré

quen

ce r

ésea

u [H

z]

Vent variableFréquence

Sans réglage primaire

Avec réglage primaire

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEApport du stockage d’énergie électrique à court terme:

⇒ Lissage de la puissance⇒ Réglage de la tension⇒ Réglage de la fréquence (réglage primaire)⇒ Permettre l’îlotage (phase transitoire)

Apport du stockage de l’énergie électrique à long terme:⇒ Réglage de la tension⇒ Réglage de la fréquence (réglage primaire et secondaire)⇒ Fonctionnement en îloté

⇒ Planification à long terme de la production en fonctiondes besoins

⇒ Adaptation aux réseaux d’énergie existant

⇒ Augmentation du taux de pénétration de l’éolien

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEPrincipaux moyens de stockage de l’électricité à long terme

Energie intermédiaire

Système de stockage

Rendement Densité de Stockage kW/m3

Type de cycle ou délai de décharge

gravitaire

Pompage hydraulique

0.73 2 (pour 1000m de chute)

quotidien, hebdomadaire ou

saisonnier

thermique Stockage de

chaleur latente ou sensible

0.65 à 0,85

20 à 150

quotidien

de pression Compresseur d’air

0.7 2 à 5 quotidien ou hebdomadaire

chimique

Batteries d’accumulateur électrochimique

0.7 à 0,9

5 à 150

quelques jours à quelques dizaines

de minutes

chimique Stockage H2 par

élcctrolyse et pile à

combustible

< 0.55

< 100

quotidien à saisonnier

Principaux moyens de stockage de l’électricité à court termeEnergie

intermédiaire Système de

stockage Rendement Densité de

Stockage kW/m3Type de cycle ou délai de décharge

cinétique Volant d’inertie

0.7 à 0.9 10 à 100 quelques dizaines de minutes

Electro-

magnétique

Courant permanent en

bobine supraconductrice

0.9 à 0.95

0.1 à 5

dans la bobine

quelques millisecondes à

quelques secondes

Electro-statique

Condensateur classique

_ < 0.1 fraction de millisecondes

Electro-statique

Super-condensateur à

électrolyte double couche

0.9 à 0.95

1 à 10

quelques secondes à quelques dizaines de

secondes

2

21 ωJE =→ Stockage inertiel :

→ Lissage de puissance, réglage fréquence et tension, îlotage→ Bonne dynamique, bon rendement, durée de vie élevée



Stockage inertiel à vitesse lente

Vitesses de travail: 3600 à 1500 tours/min.

Puissance: 1650 kW / 10 sec.

www.piller.com


Stockage inertiel à vitesse élevée

Puissance: 1000 kW / 15 min.

www.beaconpower.com


Stockage inertiel d’énergie associé à un couplage éolien-diesel

Stockage inertiel Charge

Turbine éolienne +génératrice asynchrone

Moteur Diesel

Génératricesynchrone

SchSchééma global du rma global du rééseau seau ééolienolien--dieseldiesel incluantincluantle systle systèème de stockage dme de stockage d’é’énergie. Cas dnergie. Cas d’é’étude.tude.

Charge

Moteur Diesel



SchSchééma du systma du systèème de stockage inertiel dme de stockage inertiel d’é’énergie. nergie.

MesureMesure de la puissance active du de la puissance active du ggéénnéérateurrateur ééolienolien

GénérationMLI

GénérationMLI

ConvertisseurMLI 2

ConvertisseurMLI 1

u

ia1

ωm

ib1

1wau′ 1wbu′ 1wcu′ 2wau′ 2wbu′ 2wcu′

Système de commande et de supervision

pbi 2

pai 2

pbau 2

i

u

i1 i2 Lf

1bau

1cau

sbau 2pbau 2

pacu 2

Volantd’inertie

Réseau

Machine asynchrone

2

21 ωJE =

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEStratStratéégie de supervision du systgie de supervision du systèème de stockage dme de stockage d’é’énergienergie

éolienneréglageréférence PPP −=

0 t

Puissancede réglageéolienneeurstabilisatréglage PPP +=

Charge

Moteur Diesel

Stockage inertiel

Turbine éolienne +génératrice asynchrone

Génératricesynchrone

Problème : On ne peut stocker

ou restituer indéfiniment...Tenir compte de la vitesse

du volant d’inertie« si la vitesse du volant devient trop basse alors on favorise le stockage »

« si la vitesse du volant devient trop élevée alors on favorise la génération »« si la vitesse du volant est moyenne : fonctionnement normal »

StratStratéégie de supervision du systgie de supervision du systèème de stockage dme de stockage d’é’énergienergie

Superviseur àlogique floue

Préglage

Péolienne

Vitesse du volant



Puissancede réglage

Superviseur Superviseur àà logique flouelogique floue

Superviseur àlogique floue

Préglage

Péolienne

Vitesse du volant

Exemple de vitesse de vent mesurée sur le site éolien de DunkerqueSimulationSimulation

0 100 200 300 400 500 6000

2

4

6

8

10

12

T e m p s [ s ]

V i t

e s

s e

d

u v

e n

t [

m /

s ]


50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

0.5

1

1.5

2

2.5

3 x 105

T e m p s [ s ]

P u

i s s

a n

c e

a

c t i

v e

d

u d

i e

s e

l [

W ]

Puissance active gPuissance active géénnéérréée par le groupe e par le groupe éélectroglectrogèèneneSans système de stockage en rougeAvec système de stockage en bleu

SimulationSimulation


EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEPuissance gPuissance géénnéérréée par le par l’’association stabilisateur cinassociation stabilisateur cinéétique tique –– ééolienneolienne

(Puissance de r(Puissance de rééglage)glage)Grandeur souhaitée représentée en rouge

Grandeur obtenue représentée en bleu

100 200 300 400 500 6000

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 105

T e m p s [ s ]

P u

i s s

a n

c e

d

e r

é g

l a

g e

[ W

]

SimulationSimulation


Vitesse du volant d’inertie

0 100 200 300 400 500 6003400

3600

3800

4000

4200

4400

4600

4800

T e m p s [ s ]

V i t

e s

s e

d

u v

o l

a n

t [

t r /

m i

n ]

Stockage inertiel

PMSG Réseau

Chargeisolée

Filtre

MAS

Conv. 1

• Convertisseur 1Contrôle de la génératrice synchrone

à aimants permanents

Conv. 2

• Convertisseur 2Contrôle du bus continu

Conv. 3

• Convertisseur 3Contrôle de la tension et de la

fréquence du réseau

Eolienne Eolienne àà vitesse variablevitesse variableEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE


PMSG

FESS

DS 1103

Réseau

Chargeisolée

Filter

MCC

DS 1104

MAS

DS 1104

Banc dBanc d’’essai de 3kWessai de 3kW

CNRT Futurelec

Lille


Essais expEssais expéérimentaux rimentaux –– Sans stockageSans stockageVitesse de la génératrice

Temps (s)Temps (s)

Puissance envoyée au réseau en absence du stockage

Temps (s)Temps (s)

Essais expEssais expéérimentauxrimentauxAvec stockageAvec stockage

STOCKAGE DE LSTOCKAGE DE L’’ENERGIE ET EOLIENNESENERGIE ET EOLIENNES

Puissance lissée

envoyée au réseau

Temps (s)Temps (s)

Temps (s)Temps (s)

Vitesse du volant

STOCKAGE DE LSTOCKAGE DE L’’ENERGIE ET EOLIENNESENERGIE ET EOLIENNES

Temps (s)Temps (s)

Temps (s)Temps (s)

Essais expEssais expéérimentauxrimentauxAvec stockageAvec stockage

Puissance constante envoyée au

réseau

Vitesse du volant

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEAlternateur classique:

→ couplage naturel entre la puissance active et la fréquence→ réglage tension (Q) via l’excitation

Source à convertisseur statique:Est-il possible d’obtenir un comportement similaire à celui d’un alternateur classique?

f (Hz)

Pg mes (W)

f0

f0 + ∆f

f0 - ∆f

Pg refPg ref - ∆Pg Pg ref + ∆Pg

Introduction d’une relation fréquence –puissance “artificielle”


Portion de réseau 20 kV intégrant une ferme de

3 éoliennes associéesà du stockage.

~

Charge1

P1

Q1

Charge3

P3

Q3

Réseau

puissant

~ ~GS1 GS2

Pg1 Pg2

Charge2

P2

Q2

BB1

BB2

BB3

Préseau

vw1vw1 vw2vw2

63 kV

20 kV

~GS3

Pg3

vw3vw3

Charge4

P4

Q4

Charge5

P5

Q5

Charge6

P6

Q6

Z1 Z2 Z3

EOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEOLIEN ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCEEvolutions des vitesses de vent appliquées aux

différentes éoliennes


Puissance active générée par chaque génératriceéolienne


150 s

Puissance active générée par chaque système éolien-stockage et puissance reçue ou fournie par le réseau

Ilôtage


Vitesse des trois volants d’inertie

Les besoins de stockage sont fonctions du service à fournir:Discussion sur l’apport du stockage


⇒ Lissage de puissance → P-stockage ≅ 30% P-éolien⇒ Services système → P-stockage ≅ P-éolien⇒ Foisonnement des puissances dans une ferme éolienne

→ P-stockage inférieure à P-éolien totalLa stratégie de supervision est fonction des services à fournir⇒ Son optimisation doit permettre de limiter les besoins

de stockage⇒ Stratégie applicable à différentes technologies de stockage

⇒ Combinaison de stockages à court et long terme⇒ Coût du stockage actuellement élevé qui devrait diminuer→ par la valorisation financière des services rendus au réseau→ par le développement à grande échelle du stockage

Technologies de stockage

Exemple de solution pour l’avenir Converter 2

Wind generator

ubus Fuel cell

AC

DC

DC

AC C

Grid

iw_m

it_m LT Converter 1

Gear box

Water

O2

H2

iti

Electrolyzer

H2

Hydrogen tank

Water

iCu

LDC

DC

Cu

Converter 4

umus

ib

Ru

Ultra capacitor

DC

DC

Converter 3

ib_m

ih_m

ic Pile à combustible

Super-condensateurs

Electrolyseur


L’intégration harmonieuse de l’éolien dans le réseau passera:Conclusion et perspectives


⇒ par une meilleure prévision du vent,⇒ une coordination resserrée entre les gestionnaires de

réseau de transport européen, ⇒ le renforcement des interconnexions européennes.

⇒ à l’utilisation de l’électronique de puissance dans lesinterfaces avec le réseau,

Mais aussi grâce…

⇒ au développement du stockage de l’énergie à court etlong terme,

⇒ au développement de systèmes multisources,⇒ au foisonnement éolien sur un vaste territoire.


Merci pourvotre attention

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